近日，暨南大学物理与光电工程学院邓子岚、李向平教授团队与南京大学物理学院彭茹雯、王牧教授团队等合作在应用物理学著名期刊《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）在线发表题为《超构表面偏振光学：从经典到量子》（Metasurface polarization optics: Fromical to quantum）的论文。该综述论文系统性地总结了超构表面偏振光学在经典与量子光学领域中的研究进展。讨论了近年来利用超构表面构建基本偏振光学元件、结构化偏振光场调控技术、集成化量子偏振光产生、调控以及探测等方面的原理性探索成果与应用实例，展望了超构表面偏振光学未来可能的发展方向。
超构表面光学器件能够在超薄平面内控制光的偏振、相位、振幅及谐振等特性，为实现多功能、微型化及定制化光场调控及光电信息处理器件提供新颖的设计方案与实现途径。近年来随着人们对超构表面偏振调控功能的深入研究，逐步发展了基于超构表面的全矢量光场调控方案。相较于传统体态、分立的偏振光学元件，超构表面偏振光学元件利用亚波长尺度微纳结构丰富的各向异性、手性等对称性破缺特性，能够在压缩传统偏振光学系统的同时大大提高偏振控制的多样性，为构建紧凑型多功能偏振装置提供了优质平台。本综述系统总结了超构表面在构建多种偏振光学元件、偏振结构光调控技术、量子偏振光源、量子偏振调制及探测技术等方面的研究进展。
图1 基于超构表面偏振光学的典型器件具有均匀偏振（Uniform polarization）及空间变化偏振（Structured polarization）调控的两种调控方式。本文系统讨论了这两类超构表面偏光器件在经典与量子光学中偏振光的产生、调控以及探测领域中的研究进展。
本文首先从偏振光学基础知识出发，介绍了传统偏振光学的基本概念，利用斯托克斯矢量及庞加莱球对偏振光的描述，展示了描述偏振光的各种可调控维度，如偏振度、线偏振度、圆偏振度、偏振角等。如图2、3所示。
图2 完全偏振光的两种常见表示方式（a）偏振轨迹椭圆。（b）庞加莱球面的坐标点。
图3（a）利用实心庞加莱球描述不同偏振态、不同偏振度情况下的偏振光、部分偏振光及非偏振光。（b）展示了偏振态为线偏振与圆偏振情况下，偏振轨迹随偏振度的变化规律。
结合琼斯矢量与斯托克斯矢量的相互转化关系以及琼斯矩阵与超构表面调控单元设计的对应关系，揭示了超构表面器件实现灵活偏振光调控的可行性，重点在于超构表面器件对应的琼斯矩阵空间分布设计。随后，本文围绕超构表面基本偏振光学元件设计、超构表面结构化偏振光场调控技术以及超构表面量子偏振光源、偏振调制及偏振纠缠态探测研究等方面对超构表面偏振光学在经典与量子光学领域的发展进行系统阐述。
在超构表面基本偏振光学元件设计方面，通过设计超构表面单元结构形貌和排列方式，可以在超薄平面内实现传统体块材料所具有的双折射效应，构建超构表面波片器件。同时，结合超构表面器件的多自由度独立调控的独特优势，研究者们进一步实现了多衍射通道超构表面波片器件,如图4所示。这类超构表面器件同时实现了体态偏振器件与光栅器件功能，展示出超构表面器件在集成化偏振调控系统设计中的独特优势。
图4 超构表面波片器件研究工作举例
超构单元结构的各向异性不仅表现为不同偏振产生相位差异的双折射效应（Birefringence），还表现为不同偏振产生振幅差异的双向衰减效应（Diattenuation）或二向色性效应（Dichroism）。通过设计手性超构原子，可获得具有高圆二向色性的超构表面偏振器件，实现高效的圆偏振光产生与检测。通过超构单元的琼斯矩阵精准调控，可以设计具有任意偏振态以及任意偏振度的超构表面偏振器件，实现更为灵活的偏振调控功能，如图5所示。同时，结合超构表面的多衍射通道调控功能，可实现任意多通道、任意偏振态组合的超构表面偏振分束器设计，如图6所示。
图5 超构表面起偏/检偏器研究工作举例
图6 超构表面偏振分束器件研究工作举例
另一方面，近年来基于连续域中的束缚态（BIC）的偏振奇点为谐振型偏振调控超构表面的设计提供了新思路，如图7所示。这类器件具备高品质因子谐振及本征偏振态可调的特性，为实现高集成度线偏振/圆偏振超构表面有源器件展示出巨大的应用潜力。
图7 具有动量空间偏振奇点的超构表面偏振谐振器件研究工作举例
在超构表面结构化偏振光场调控技术的设计方面，基于马吕斯定律设计的超构表面器件可以将多个不同图像的强度信息编码在像素化的超构偏振单元结构中，由于各单元纳米结构对不同偏振光入射时表现出不同的透射或反射率，通过改变入射光偏振态即可获得相应不同的编码图像，实现高密度、多通道的偏振复用技术，如图8所示。进一步地，结合超构表面的相位调控与偏振调控功能，可拓展传统超构表面全息术的信息复用通道，发展基于线偏振复用（如图9所示），圆偏振复用（如图10所示）以及全空间定制化偏振光场产生—矢量全息术（如图11所示）等多维光场调控技术。
图8 基于马吕斯（Malus）超构表面的偏振空间编码器件研究工作举例
图9 超构表面线偏振复用全息术研究工作举例
图10 超构表面圆偏振复用全息术研究工作举例
图11 超构表面全矢量全息术研究工作举例
近年来，随着超构表面在定制化空间偏振分布光场生成方面的独特优势的展现，基于超构表面偏振光学的集成化偏振成像器件不断涌现，如图12所示。同时，利用超构表面空间偏振分布调控特性，可以提升如三维成像、复振幅成像、边缘成像等高维成像系统的性能并扩展其功能，如图13所示。
图12 基于超构表面偏振成像技术研究工作举例
图13 基于超构表面偏振光学的多维光场成像技术研究工作举例
随着超构表面器件设计与应用场景的不断拓展，超构表面偏振光学也逐渐拓展至量子光学领域。由于超构表面偏光器件在高效、灵活、高集成度偏振调控方面的显著优势，近年来，超构表面器件在集成化量子偏振光源的构建（如图14所示）、量子偏振纠缠的产生、调控和分发（如图15所示）、偏振纠缠态测量（如图16所示）以及偏振纠缠成像技术（如图17所示）等方面发挥着重要作用。这些基于超构表面的量子调控手段为发展高效率、多功能、集成化量子信息技术提供独特的科学途径。
图14 基于超构表面的量子偏振光源研究工作举例
图15 基于超构表面的量子偏振纠缠的产生、调控和分发等研究工作举例
图16 基于超构表面的偏振纠缠态测量研究工作举例
图17 基于超构表面的偏振纠缠成像技术研究工作举例
这篇综述论文系统总结了超构表面偏振光学在经典与量子领域的研究进展。文章首先介绍了超构表面构建的基本偏振光学元件，包括波片、偏振器和偏振分束器、偏振谐振器件等，它们具有超薄、灵活和多样化的偏振调控能力；随后探讨了基于超构表面偏振光学的定制化空间信息调制技术，包括偏振复用全息术、全矢量全息术、偏振成像技术、多维成像技术等；最后介绍了超构表面偏振光学在量子光源、量子干涉和量子传感与成像中的应用实例。超构表面偏振光学目前已取得了长足发展，但在诸多方面有待于进一步深入研究。目前,超构表面偏振光源仍主要依赖于具有均匀本征偏振态的周期性谐振结构，超构原子的尺寸调制往往导致谐振频率的变化，这使得直接从光源生成空间分布定制化偏振光场变得困难。
在未来，我们可以期待单层超构表面同时具备空间变化的偏振/相位调制功能与光谐振反馈功能，从而避免目前光源与空间调制超构表面之间的级联策略；此外，目前大多数的超构表面检测和成像策略仍然依赖于分离的成像元件、色散元件和偏振元件的组合。未来的研究方向将包括发展功能更强大的超构表面技术，将光谱分光、偏振分束和成像功能集成到单层结构中，为更先进和并行的量子态表征及成像应用提供可能。综上所述，超表面偏振光学使得构建紧凑且集成的偏振操控光学设备成为可能，目前已在经典和量子光学中展示出广阔的应用前景。随着未来技术的发展，通过完全或部分替代传统偏振光学器件，超构表面技术能够显著缩小涉及偏振的光学系统和网络的整体尺寸，并为片上经典与量子信息处理铺平道路，推动信息处理、量子通信和量子传感等领域的协同发展。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0226286
